WO2016134388A1 - Rotations-stabilisierungseinrichtung - Google Patents

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WO2016134388A1
WO2016134388A1 PCT/AT2016/000008 AT2016000008W WO2016134388A1 WO 2016134388 A1 WO2016134388 A1 WO 2016134388A1 AT 2016000008 W AT2016000008 W AT 2016000008W WO 2016134388 A1 WO2016134388 A1 WO 2016134388A1
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torque converter
electric motor
torque
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Jens C. PETERS
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Peters Jens C
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    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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Definitions

  • the invention relates to a rotation stabilization device having an optical device, in particular a camera, and a position control device for the optical device with a support frame, with at least one axis of rotation, which passes through the center of gravity of the optical device, with at least one body of revolution, wherein the optical device is pivotable about at least one body of revolution, with at least one electric motor having a body of revolution
  • Gyroscope and with a control electronics, which the
  • the invention further relates to a method for operating such a rotation stabilization device.
  • Helicopters or multicopter are attached. There is a camera in a frame-like suspension.
  • the camera is pivoted and stabilized by means of an electric motor along an axis.
  • Allen known
  • Suspension forms have in common that the cameras used (including lens) are fixed so that the pan and tilt axis (possibly the rolling axes) of the cameras run through their center of gravity. This causes no torque forces to be applied to the camera. With intentional rotation thus only the moment of inertia of the camera and its holder is too
  • gearboxes have a so-called
  • the invention is based on the object
  • a torque converter is arranged on the rotational body driven by the electric motor between the electric motor and the optical device, and that the position of the optical device is determined by a between the electric motor and the optical device on the
  • Torque converter is controlled. Thus it is achieved that each control response to disturbances without collision or jump occurs. The resulting compensatory movements on the optical
  • the optical device can therefore be in a
  • a device for recording and / or reproducing images in particular a camera.
  • a torque converter is a rotational damper, in particular a hydrodynamic torque converter.
  • a sealed drive shaft which is driven at one end by an electric motor.
  • At the other end of the drive shaft is located in the drum
  • This paddle wheel can be free in with oil
  • Torque converter arranged. On this rotation body, the torque that is transmitted to the inside of the paddle wheel via the oil to the drum, is derived.
  • the torque with which the drum is taken is in a wide
  • Torque converter arranged further rotational body a
  • Connector between the torque converter and the optical device is, in particular that arranged on the torque converter further rotary body with the optical
  • Rotational body transmitted torque the holder is rotated or pivoted about the axis of rotation of the rotating body.
  • the further rotational body arranged on the torque converter and optionally the rotational body driven by the electric motor are arranged on the rotational axis. This arrangement of components prevents any possible play by using further force
  • a further embodiment provides that the support frame has a recess, in particular a bore, and that the further rotational body arranged on the torque converter is guided through a recess of the support frame. This embodiment is to ensure that the Rotation axis preferably through the center of gravity of the device, or as close as possible to it runs.
  • the optical device can be pivoted via the further rotational body arranged on the torque converter.
  • the optical device can thus be pivoted and aligned on the axis of rotation by 360 °.
  • the mechanical arrangement of the two units allows either the two motors to rotate in the same direction of rotation or one to rotate in opposite directions to the other. Since both on an axis attacking units by the counterparts
  • Torque converter at the same time as a damper.
  • the unit can therefore also be referred to as a motor / rotary damper unit.
  • Device is arranged on the optical device or on a holder of the optical device, and that a
  • Determining the spatial orientation of the optical device controls or controls.
  • Alignment is preferably determined by means of a gyroscope. Since the optical device is to be moved or swiveled, position coordinates of the optical device are decisive.
  • Electric motor and optionally the control electronics, is connected to the support frame. To hold the electric motor statically in its position, this is on the support frame arranged.
  • the control electronics is also on the support frame, so as not to unnecessary mass when panning
  • Stabilization device extends substantially horizontally. Furthermore, it can be provided that a further axis of rotation in the operating state of the rotational stabilization device is aligned substantially perpendicularly. Further it is
  • the axis of rotation or the axes of rotation passes through the center of gravity of the rotation stabilizing device or run.
  • the center of gravity of the rotation stabilizing device or run is particularly preferred.
  • Center of gravity of the optical device is equal to the center of gravity of the rotation stabilizer.
  • the inventive method is provided that the position of the optical device is controlled such that the profile of the torque transmitted by the torque converter in a
  • Control range is substantially linear to its speed, and that the rotation stabilizing device in this
  • Control range is moved linearly rotationally.
  • Controlled torque converter is arranged on opposite sides of the optical device, of which from each of which a further rotational body extends on the axis of rotation. To control the optical device is provided that the two torque converter driven in the same direction or in the same direction and / or that the two torque converter with
  • the torque converter are particularly preferably on the same axis of rotation.
  • motor / rotary damper rotate with the same moment but opposite.
  • Electric motors are controlled so that a differential torque arises from the counter-rotating torque converters. In the direction in which the moment is greater, one becomes Rotation movement causes. The speed of the rotation depends on the size of the moment difference. Stabilization is only possible again when the opposing torques are equal again or the difference of the moments is zero again.
  • Torque is transmitted from the electric motor to the torque converter in the region of the sliding friction, wherein in particular the changes of the torque converter on the optical
  • Axis stabilization with a servomotor are:
  • the torque curve can be continuously adjusted from zero to maximum in a flat control line.
  • Fig. 1 shows a schematic structure of a known
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an embodiment of a device according to the invention
  • Fig. 3 is a diagram of a torque curve in
  • FIG. 4 shows a diagram of a torque curve in FIG
  • a control electronics 2 and an electric motor 3 is arranged on a support frame 1. Via a rotary body 4, which passes through the support frame 1, the torque of the electric motor 3 is transmitted to a holder 5.
  • an optical device 6 is arranged, which is pivotable about a horizontal axis of rotation 7.
  • the optical device 6 is a camera.
  • the axis of the rotary body 4 runs with the axis of rotation 7 through the center of gravity of the optical device 6.
  • Control electronics 2 is a gyroscope 8 to
  • Fig. 2 is an embodiment of an inventive
  • the device shown schematically which is basically similar to the device described for Fig. 1 is constructed.
  • the device according to the invention shown has on both sides of the support frame 1 in each case an electric motor 3, which in each case drives a rotation body 9.
  • Electric motors 3 and the optical device 6 each have a torque converter 10 is disposed on the rotary body 9 driven by the electric motor 3.
  • Torque transducers 10, a further rotation body 11 is in each case arranged in the direction of the optical device 6, which extends through a recess in the support frame 1 and is connected to the holder 5, whereby the optical device 6 can be pivoted about the axis of rotation 7.
  • the device can also be pivoted via further axes of rotation, for example via a vertical axis of rotation or via a further horizontal axis
  • Rotation axis in particular perpendicular to the axis of rotation 7.
  • the axis of rotation 7 extends through the center of gravity of the rotation stabilizing device and is congruent with the axes of the rotary bodies 9, 11.
  • Torque converter 10 shown as a function of speed. It can be seen that in a large area the
  • Torque runs linearly to the speed. Only in the last third does the moment asymptotically approach a constant maximum value. This maximum value is typical of a building.
  • Fig. 4 is a linear torque curve in
  • Electric motors 3 can rotate in the same direction or each one can rotate in opposite directions to the other, and this for each electric motor 3, each with different speeds.
  • the slopes of the two motor / rotary damper lines 12, 13 and the straight line 14 with the summation torque are assumed in the diagram and represent only an example of one
  • Torques always have the same but opposite magnitude at zero deviation, i. E. the two torques cancel each other out in this point.
  • Electric motor 3 and torque converter 10 is located in the

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Abstract

Eine Rotations-Stabilisierungseinrichtung weist eine optische Einrichtung (6), insbesondere eine Kamera, und eine Lageregelungsvorrichtung für die optische Einrichtung (6) auf. Diese optische Einrichtung (6) ist in einem Trägerrahmen (1) über wenigstens eine Rotationsachse (7), welche durch den Schwerpunkt der optischen Einrichtung (6) verläuft, schwenkbar. Zum Stabilisieren der optischen Einrichtung (6) befinden sich auf der wenigstens einen Rotationsachse (7) zwischen einem Elektromotor (3) und der optischen Einrichtung (6) ein Drehmomentwandler (10), der ohne Sprungverhalten die optische Einrichtung (6) in einer beliebigen Winkelposition stabilisiert bzw. bewegt.

Description

Rotations -Stabilisierungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Rotations-Stabilisierungseinrichtung mit einer optischen Vorrichtung, insbesondere einer Kamera, und einer Lageregelungsvorrichtung für die optische Vorrichtung mit einem Trägerrahmen, mit wenigstens einer Rotationsachse, welche durch den Schwerpunkt der optischen Vorrichtung verläuft, mit wenigstens einem Rotationskörper, wobei die optische Vorrichtung über wenigstens einen Rotationskörper schwenkbar ist, mit wenigstens einem Elektromotor, der einen Rotationskörper
antreibt, mit einer Einrichtung zum Ermitteln der räumlichen Ausrichtung der optischen Vorrichtung, insbesondere ein
Gyroskop, und mit einer Regelungselektronik, welche den
Elektromotor ansteuert.
Die Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Rotations -Stabilisierungseinrichtung .
Bei Übertragungen von Sportveranstaltungen, Dokumentationen, Konzerten usw. werden immer öfter ferngesteuerte Kameras in bewegten Aufhängungen, die an Kamerakränen, Seilen,
Hubschraubern oder Multikoptern befestigt sind, verwendet. Dabei befindet sich eine Kamera in einer rahmenartigen Aufhängung.
Die Kamera wird mittels eines elektrischen Motors entlang einer Achse geschwenkt und stabilisiert. Allen bekannten
Aufhängungsformen ist gemeinsam, dass die verwendeten Kameras (inkl. Objektiv) so befestigt werden, dass die Schwenk- und Neigeachse (eventuell die Rollachsen) der Kameras durch deren Schwerpunkt verlaufen. Das bewirkt, dass an der Kamera keine Momentenkräfte angreifen. Bei gewollter Drehung ist somit nur das Trägheitsmoment der Kamera und deren Halterung zu
überwinden. Nachteilig ist allerdings, dass bei einem stark gezoomten Bildausschnitt der Kamera bereits kleinste Störgrößen auf die Halterung zu einem instabilen Bild führen können. Es ist zudem bekannt, dass die optische Vorrichtung bzw. die Halterung über eine Regelelektronik mit Hilfe eines Lagesensors (elektrischer Kreisel = Gyroskop) und eines Stellmotors
stabilisiert und konstant gehalten wird. Der Nachteil einer solchen rein mechanischen Kopplung des Stellmotors an die zu stabilisierende Vorrichtung wird durch sehr unsanfte Verläufe bei Bewegungsabläufen bzw. bei der Winkelstabilisierung
ersichtlich. Gerade bei Ausgleichsbewegungen (durch Störgrößen verursacht) zur Winkelstabilisierung sind nur sehr kleine
Änderungsbewegungen der Kamera nötig. Am Beginn und am Ende jeder Ausgleichsbewegung lässt sich jedoch ein sprungartiges Verhalten in der Bewegung der Stellmotoren feststellen.
Diese sprunghaften Antworten der Regelung auf Störgrößen
entstehen durch mechanische Reibung und mechanische Toleranz in den verwendeten Bauteilen. Da Haftreibung größer als
Gleitreibung ist, kommt es beim Übergang von der
Haftreibungszone in die Gleitreibungszone bzw. wieder zurück zu einem sprunghaften Verhalten während des Überganges.
Weiters wird in vielen Regelungsanwendungen ein Stellmotor mit angebautem Getriebe verwendet. Viele kostengünstige
Getriebebauarten besitzen allerdings ein sogenanntes
Getriebespiel, welches sich für eine kontinuierliche Regelung als unüberwindbares Problem herausstellt. Jede Regelungsbewegung in Gegenrichtung zur letzten Bewegung muss dieses Getriebespiel überwinden und wirkt daher zu spät oder zu heftig auf die
Regelabweichung ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Stabilisierungsvorrichtung für die Kamera zu schaffen, die mechanische Einflüsse der eingangs beschriebenen Art auf das Regelverhalten eliminiert.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung, welche die Merkmale des Anspruches 1 aufweist. Weiters wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, welches die Merkmale des Anspruches 14 aufweist.
Bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen dem Elektromotor und der optischen Einrichtung ein Drehmomentwandler auf dem vom Elektromotor angetriebenen Rotationskörper angeordnet ist und dass die Lage der optischen Einrichtung durch einen zwischen dem Elektromotor und der optischen Einrichtung auf dem vom
Elektromotor angetriebenen Rotationskörper angeordneten
Drehmomentwandler geregelt wird. Somit wird erreicht, dass jede Regelungs-Antwort auf Störgrößen ohne Stoß oder Sprung erfolgt. Daraus resultierende Ausgleichsbewegungen auf die optische
Vorrichtung sind äußerst präzise und unterliegen nur
gleichförmigen Beschleunigungen bzw. Verzögerungen mit sanften Übergängen. Die optische Vorrichtung kann daher in einer
bestimmten Winkelposition stabilisiert und konstant gehalten werden, wobei die Störgrößen ausgeglichen werden.
Unter optischer Einrichtung wird im Rahmen der Erfindung
vorzugsweise eine Einrichtung zum Aufnehmen und/oder Wiedergeben von Bildern verstanden, insbesondere eine Kamera.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
vorgesehen, dass ein Drehmomentwandler ein Rotationsdämpfer, insbesondere ein hydrodynamischer Drehmomentwandler, ist.
Dieser kann aus einem trommeiförmigen, geschlossenen Gehäuse bestehen, welches mit einem hochviskosen Öl- gefüllt ist. In die Trommel führt mittig eine abgedichtete Antriebswelle, die an einem Ende von einem Elektromotor angetrieben wird. Am anderen Ende der Antriebswelle befindet sich in der Trommel ein
Schaufelrad . Dieses Schaufelrad kann sich frei im mit Öl
gefüllten Trommelgehäuse drehen und wird versuchen, wenn es von außen über die Antriebswelle angetrieben wird, das trommeiförmige Gehäuse bedingt durch die hohe Viskosität des Öls in der gleichen Richtung mit sich zu drehen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist an einer nicht zum Elektromotor weisenden Seite des Drehmomentwandlers, insbesondere auf der dem Elektromotor gegenüberliegenden Seite, ein weiterer Rotationskörper, insbesondere eine Welle, am
Drehmomentwandler angeordnet. Auf diesem Rotationskörper wird das Drehmoment, das im Inneren des Schaufelrads über das Öl an die Trommel übertragen wird, abgeleitet. Das Drehmoment, mit welchem die Trommel mitgenommen wird, ist in einem weiten
Bereich abhängig von der Drehzahl des Schaufelrades.
Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der am
Drehmomentwandler angeordnete, weitere Rotationskörper ein
Verbindungsstück zwischen Drehmomentwandler und der optischen Einrichtung ist, insbesondere dass der am Drehmomentwandler angeordnete weitere Rotationskörper mit der optischen
Einrichtung oder mit einer Halterung der optischen Einrichtung verbunden ist. Über das vom Trommelgehäuse an den
Rotationskörper übertragene Drehmoment wird die Halterung um die Drehachse des Rotationskörpers gedreht bzw. geschwenkt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der am Drehmomentwandler angeordnete, weitere Rotationskörper und gegebenenfalls der vom Elektromotor angetriebene Rotationskörper auf der Rotationsachse angeordnet sind. Durch diese Anordnung von Bauteilen wird verhindert, dass ein mögliches Spiel durch Verwendung weiterer Kraft
übertragender Bauteile entstehen kann.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass der Trägerrahmen eine Ausnehmung, insbesondere eine Bohrung, aufweist und dass der am Drehmomentwandler angeordnete, weitere Rotationskörper durch eine Ausnehmung des Trägerrahmens geführt ist. Durch diese Ausführungsform soll gewährleistet werden, dass die Rotationsachse bevorzugt durch den Schwerpunkt der Vorrichtung, bzw. so nahe wie möglich daran, verläuft.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die optische Einrichtung über den am Drehmomentwandler angeordneten, weiteren Rotationskörper schwenkbar ist. Die optische Einrichtung kann somit auf der Rotationsachse um 360° geschwenkt und ausgerichtet werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass auf zwei gegenüberliegenden Seiten der optischen
Einrichtung jeweils ein Drehmomentwandler vorgesehen ist.
Die mechanische Anordnung der beiden Einheiten aus jeweils einem Motor und einem Drehmomentwandler erlaubt es, dass entweder beide Motoren in der gleichen Drehrichtung drehen können oder jeweils einer gegensinnig zum andern drehen kann. Da beide an einer Achse angreifenden Einheiten durch die gegengleiche
Rotation gegeneinander verspannt sind, wirkt der
Drehmomentwandler auch gleichzeitig als Dämpfer. Die Einheit kann also auch als Motor- /Drehdämpfer-Einheit bezeichnet werden.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Einrichtung zum Ermitteln der räumlichen Ausrichtung der optischen
Vorrichtung an der optischen Einrichtung oder an einer Halterung der optischen Einrichtung angeordnet ist, und dass eine
Regelungstechnik den Elektromotor über die Einrichtung zum
Ermitteln der räumlichen Ausrichtung der optischen Einrichtung regelt bzw. steuert. Die Lagebestimmung der räumlichen
Ausrichtung wird bevorzugt mittels eines Gyroskops ermittelt. Da die optische Einrichtung bewegt bzw. geschwenkt werden soll, sind Lagekoordinaten der optischen Einrichtung maßgeblich.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der
Elektromotor eine Halterung auf, wobei die Halterung des
Elektromotors, und gegebenenfalls die Regelungselektronik, mit dem Trägerrahmen verbunden ist. Um den Elektromotor statisch in seiner Position zu halten, ist dieser am Trägerrahmen angeordnet. Die Regelungselektronik befindet sich ebenfalls am Trägerrahmen, um nicht unnötige Masse beim Schwenken der
optischen Einrichtung mit zu bewegen.
Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine
Rotationsachse im Einsatzzustand der Rotations-
Stabilisierungseinrichtung im Wesentlichen waagrecht verläuft. Weiters kann vorgesehen sein, dass eine weitere Rotationsachse im Einsatzzustand der Rotations-Stabilisierungseinrichtung im Wesentlichen lotrecht ausgerichtet ist. Weiters ist es
bevorzugt, wenn die Rotationsachse bzw. die Rotationsachsen durch den Schwerpunkt der Rotations-Stabilisierungseinrichtung verläuft bzw. verlaufen. Besonders bevorzugt ist, wenn der
Schwerpunkt der optischen Vorrichtung gleich dem Schwerpunkt der Rotations-Stabilisierungseinrichtung ist. Durch die in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehenen, normal aufeinander stehenden, durch den GesamtSchwerpunkt verlaufenden
Rotationsachsen, müssen bei einer Rotation nur die
Trägheitsmomente durch die Motor-/Drehdämpfereinheiten
überwunden werden. Bei dieser bevorzugten Ausführungs form treten sehr geringe bis keine Deviationsmomente auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Lage der optischen Einrichtung derart geregelt wird, dass der Verlauf des vom Drehmomentwandler übertragenen Drehmoments in einem
Regelbereich im Wesentlichen linear zu seiner Drehzahl ist, und dass die Rotations-Stabilisierungseinrichtung in diesem
Regelbereich linear rotatorisch bewegt wird. Durch die
Linearität zwischen Drehzahl und Momente des Drehmomentwandlers, ergeben sich gleichförmig verlaufende Bewegungen der optischen Einrichtung. Der lineare Verlauf des sogenannten Abtrieb- Momentes des Drehmomentwandlers ist allerdings nur bis zu einer bautypischen Grenzdrehzahl gegeben. In der vorliegenden Regelung werden nicht lineare Bereiche allerdings vermieden. Der Betrieb erfolgt immer unterhalb der oben genannten Grenzdrehzahl, wo der Zusammenhang zwischen Drehzahl und Abtriebsmoment weitgehend linear ist. Als besonderer Vorteil treten keine sprunghaften Bewegungsabläufe auf, wie es beispielsweise bei
Bewegungsabläufen mit Stellmotoren vorkommt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Lage der optischen Einrichtung durch zwei auf
gegenüberliegenden Seiten der optischen Einrichtung angeordnete Drehmomentwandler geregelt wird, von denen aus jeweils ein weiterer Rotationskörper auf der Rotationsachse verläuft. Zur Regelung der optischen Einrichtung ist vorgesehen, dass die zwei Drehmomentwandler in gegengleicher oder in gleicher Richtung angetrieben und/oder dass die zwei Drehmomentwandler mit
gleicher oder unterschiedlicher Drehzahl angetrieben werden. Die Drehmomentwandler befinden sich dazu besonders bevorzugt auf der selben Rotationsachse. Durch diese Anordnung und Regelung der Drehmomentwandler, wird eine Stabilisierung der Achse bzw. der optischen Einrichtung erreicht. Eine Stabilisierung bzw. ein Verharren der Achse in einer gewünschten Position kann dann eintreten, wenn die beiden auf einer Achse gegenüber
angeordneten Motor- /Drehdämpfer mit dem gleich großen Moment aber gegengleich rotieren.
Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rotation um die Rotationsachsen bei gegengleicher Rotationsbewegung der Drehmomentwandler zum Stillstand kommt, wenn die Drehmomente der Drehmomentwandler gleich groß sind bzw. die Summe der
gegengleichen Drehmomente null ist. Weiters kann vorgesehen sein, dass die Rotation um die Rotationsachsen bei gegengleicher Rotationsbewegung der Drehmomentwandler nur dann erfolgt, wenn die Summe der Drehmomente ungleich null ist, wobei die Summe der Drehmomente einen positiven oder negativen Wert haben kann. Um die Rotationswelle auszulenken, muss die Drehzahl der
Elektromotoren so geregelt werden, dass ein Differenzmoment aus den gegengleich rotierenden Drehmomentwandlern entsteht. In die Richtung, in der das Moment größer ist, wird eine Rotationsbewegung bewirkt. Die Geschwindigkeit der Rotation hängt dabei von der Größe der Momentendifferenz ab. Stabilisiert wird erst dann wieder, wenn die gegengleichen Drehmomente wieder gleich groß sind bzw. die Differenz der Momente wieder null ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die
Drehmomentübertragung vom Elektromotor auf den Drehmomentwandler im Bereich der Gleitreibung erfolgt, wobei insbesondere die Änderungen der vom Drehmomentwandler auf die optische
Einrichtung übertragenen Drehmomente im Bereich der Gleitreibung linear verlaufen. Bei still stehender Rotationswelle rotieren die Schaufelräder in der Trommel des Drehmomentwandler
gegensinnig mit einem Differenzmoment von null weiter. Diese Schaufelräder befinden sich somit im Bereich der Gleitreibung. Bei kleinsten Änderungen der Differenzmomente wird somit mit einer linearen Rotation (kein Auftreten eines Sprunges) des Drehmomentwandlers die Antriebsachse bewegt. Weiters ist durch die gegengleiche Rotationsbewegung die Bewegungsachse im
verspannten Zustand. Bei einer möglichen Verwendung eines
Getriebes zur Kraftübertragung ist somit auch ein Getriebespiel aufgehoben. Bei größeren Abweichungen arbeiten beide Motoren miteinander (Drehrichtung gleichsinnig) und die Momente der Drehmomentwandler addieren sich und sind entsprechend groß.
Vorteile einer Einheit aus einem Elektromotor und einem
Drehmomentwandler gegenüber einer herkömmlichen
Achsstabilisierung mit einem Stellmotor sind:
• Bei einem Differenzmoment gleich null von gegengleich
rotierenden Drehmomentwandlern existiert keine Haftreibung und kein mögliches Getriebespiel.
• Der Drehmomentverlauf kann stufenlos von null gegen maximal in einer flachen Regelungsgeraden angepasst werden.
• Bei Ausregelung einer größeren Abweichung vom Sollwert muss eine der beiden Motor- /Dämpferachsen die Drehrichtung umkehren. Der dabei auftretende Übergang von Haftreibung auf Gleitreibung sowie die Überwindung des Getriebespiels werden gedämpft durch den bereits in richtiger Drehrichtung
laufenden ersten Strang. Die damit verbundene
Nicht linearität im Drehmomentverlauf fällt daher klein aus.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen.
Es zeigt :
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer bekannten
Kamerastabilisierung ,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 3 eine Abbildung eines Drehmomentverlaufes in
Abhängigkeit zur Drehzahl eines Drehmomentwandlers und Fig. 4 eine Abbildung eines Drehmomentverlaufes in
Abhängigkeit zur Regelabweichung.
In Fig. 1 ist der schematische Aufbau einer bekannten
Kamerastabilisierung dargestellt. An einem Trägerrahmen 1 ist eine Regelelektronik 2 und ein Elektromotor 3 angeordnet. Über einen Rotationsköper 4, der durch den Trägerrahmen 1 verläuft, wird das Drehmoment des Elektromotors 3 auf eine Halterung 5 übertragen. An der Halterung 5 ist eine optische Einrichtung 6 angeordnet, die um eine waagrechte Rotationsachse 7 schwenkbar ist. In Fig. 1 ist die optische Einrichtung 6 eine Kamera. Die Achse des Rotationskörpers 4 läuft mit der Rotationsachse 7 durch den Schwerpunkt der optischen Einrichtung 6. Somit müssen nur mehr die Trägheitsmomente der zu drehenden Elemente
überwunden werden. Um den Elektromotor 3 über die
Regelelektronik 2 zu regeln, ist ein Gyroskop 8 zur
Lagebestimmung der optischen Einrichtung 6 vorgesehen. In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung schematisch dargestellt, welche grundsätzlich ähnlich wie die zur Fig. 1 beschriebene Vorrichtung aufgebaut ist. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung weist die gezeigte, erfindungsgemäße Vorrichtung zu beiden Seiten des Trägerrahmens 1 jeweils einen Elektromotor 3 auf, welcher jeweils einen Rotationskörper 9 antreibt. Zwischen den
Elektromotoren 3 und der optischen Einrichtung 6 ist jeweils ein Drehmomentwandler 10 auf dem vom Elektromotor 3 angetriebenen Rotationskörper 9 angeordnet. Ausgehend von den
Drehmomentwandlern 10 ist jeweils ein weiterer Rotationskörper 11 in Richtung zur optischen Einrichtung 6 hin angeordnet, der durch eine Ausnehmung im Trägerrahmen 1 verläuft und mit der Halterung 5 verbunden ist, wodurch die optische Einrichtung 6 um die Rotationsachse 7 verschwenkt werden kann.
Aufgrund besserer Übersicht ist eine nur um eine horizontale Rotationsachse 7 schwenkbare Vorrichtung dargestellt. Die
Vorrichtung kann in anderen Ausführungsformen auch über weitere Rotationsachsen verschwenkt werden, beispielsweise über eine lotrechte Rotationsachse oder über eine weitere waagrechte
Rotationsachse, die insbesondere senkrecht zur Rotationsachse 7 verläuft. Die Rotationsachse 7 verläuft durch den Schwerpunkt der Rotations-Stabilisierungseinrichtung und ist deckungsgleich mit den Achsen der Rotationskörper 9, 11.
In der Fig. 3 wird der Verlauf des Drehmomentes eines
Drehmomentwandlers 10 in Abhängigkeit der Drehzahl dargestellt . Dabei ist ersichtlich, dass in einem großen Bereich das
Drehmoment linear zur Drehzahl verläuft. Erst im letzten Drittel nähert sich das Moment asymptotisch einem konstanten Maximalwert an. Dieser Maximalwert ist bautypisch unterschiedlich. Zur
Regelung bzw. zur Stabilisierung der Lage der optischen
Einrichtung 6 wird bevorzugt nur im Bereich der linearen
Abhängigkeit zwischen Drehzahl und Drehmoment geregelt. In der Fig. 4 wird ein linearer Drehmomentverlauf in
Abhängigkeit zur Regelabweichung in Grad [°] dargestellt. Die mechanische Anordnung der beiden Einheiten aus Elektromotor 3 und Drehmomentwandler 10 erlaubt es, dass entweder beide
Elektromotoren 3 in der gleichen Drehrichtung drehen können oder jeweils einer gegensinnig zum anderen drehen kann, und dies für jeden Elektromotor 3 mit jeweils verschiedenen Drehzahlen. Das Diagramm veranschaulicht, mit welchem Drehmoment (=abhängig von der Drehzahl) bei positiven oder negativen Regelabweichungen die Einheiten aus Elektromotor 3 und Drehmomentwandler 10 darauf reagieren sollen. Die Steigungen der beiden Motor- /Drehdämpfer- Geraden 12, 13 sowie die Gerade 14 mit dem Summenmoment sind im Diagramm angenommen und stellen nur ein Beispiel einer
Regeleinstellung dar. Wesentlich ist, dass die beiden
Drehmomente immer bei Regelabweichung null einen gleich großen, aber gegensinnigen Betrag besitzen, d.h. die beiden Drehmomente heben sich in diesem Punkt gegenseitig auf.
Die Besonderheit in der Verwendung einer Kombination aus
Elektromotor 3 und Drehmomentwandler 10 liegt in der
Möglichkeit, die Elektromotoren 3 auch dann zu betreiben, wenn der Ausgang der zugehörigen Drehmomentwandler 10 blockiert ist. Diese Blockierung wird dadurch erreicht, dass die zweite
Kombination aus Elektromotor 3 und Drehmomentwandler 10 mit der gleichen, aber gegensinnigen Drehzahl gegen die erste
Kombination arbeitet.
Bei kleinen Regelabweichungswerten (im Diagramm zwischen 0° bis +5° bzw. 0° bis -5°) sind die Drehrichtungen der beiden
Einheiten aus Elektromotor 3 und Drehmomentwandler 10
gegensinnig und somit wirkt nur das Differenzmoment auf den Rotationskörper 11 ein. Bei größeren Abweichungen arbeiten die Elektromotoren 3 miteinander (Drehrichtung gleichsinnig) und die Momente der Drehmomentwandler 10 addieren sich und sind daher entsprechend groß. Dies bedeutet aber auch, dass im Nullpunkt (d.h. keine Regelabweichung vorhanden = Halterung 5 steht richtig) beide Stellmotoren 3 gegensinnig mit gleicher (geringer) Drehzahl weiterhin drehen. Das Differenzmoment ist null und daher steht der Rotationskörper 11 bzw. die optische Einrichtung 6 bei laufenden Motoren still. Die Rotationskörper 11 inklusive der zwei Einheiten sind still zueinander verspannt, ein
Getriebespiel damit aufgehoben. Durch die fortlaufende Rotation der Schaufelräder im Inneren der Drehmomentwandler 10 ist die Haftreibung bereits überwunden und es herrscht der Zustand der Gleitreibung. Daher ist bei einem neuerlichen Ausregeln einer Abweichung keine Haftreibung und kein Getriebespiel mehr zu überwinden .

Claims

Ansprüche :
Rotations-Stabilisierungseinrichtung mit einer optischen Einrichtung (6), insbesondere einer Kamera, und einer
Lageregelungsvorrichtung für die optische Einrichtung (6) mit einem Trägerrahmen (1), mit wenigstens einer
Rotationsachse (7), welche durch den Schwerpunkt der optischen Einrichtung (6) verläuft, mit wenigstens einem Rotationskörper (9, 11), wobei die optische Einrichtung (6) über wenigstens einen Rotationskörper (11) schwenkbar ist, mit wenigstens einem Elektromotor (3), der einen
Rotationskörper (9), insbesondere eine Welle, antreibt, mit einer Einrichtung zum Ermitteln der räumlichen Ausrichtung der optischen Einrichtung (6), insbesondere ein Gyroskop
(8), und mit einer Regelungselektronik (2), welche den Elektromotor (3) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Elektromotor (3) und der optischen Einrichtung
(6) ein Drehmomentwandler (10) auf dem vom Elektromotor (3) angetriebenen Rotationskörper (9) angeordnet ist.
Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehmomentwandler (10) ein Rotationsdämpfer, insbesondere ein hydrodynamischer
Drehmomentwandler, ist.
Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einer nicht zum
Elektromotor (3) weisenden Seite des Drehmomentwandlers
(10) , insbesondere auf der dem Elektromotor (3)
gegenüberliegenden Seite, ein weiterer Rotationskörper
(11) , insbesondere eine Welle, am Drehmomentwandler (10) angeordnet ist.
Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der am Drehmomentwandler (10) angeordnete, weitere Rotationskörper (11) ein Verbindungsstück zwischen Drehmomentwandler (10) und der optischen Einrichtung (6) ist, insbesondere dass der am Drehmomentwandler (10) angeordnete, weitere
Rotationskörper (11) mit der optischen Einrichtung (6) oder mit einer Halterung (5) der optischen Einrichtung (6) verbunden ist.
Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der am Drehmomentwandler (10) angeordnete, weitere Rotationskörper (11) und gegebenenfalls der vom Elektromotor (3)
angetriebene Rotationskörper (9) auf der Rotationsachse (7) angeordnet ist.
Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der
Trägerrahmen (1) eine Ausnehmung, insbesondere eine
Bohrung, aufweist und dass der am Drehmomentwandler (10) angeordnete, weitere Rotationskörper (11) durch die
Ausnehmung geführt ist.
Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
optische Einrichtung (6) über den am Drehmomentwandler (10) angeordneten, weiteren Rotationskörper (11) schwenkbar ist.
Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf zwei gegenüberliegenden Seiten der optischen Einrichtung (6) jeweils ein Drehmomentwandler (10) vorgesehen ist.
Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Einrichtung zum Ermitteln der räumlichen Ausrichtung der optischen Vorrichtung (6) an der optischen Einrichtung (6) oder an einer Halterung (5) der optischen Einrichtung (6) angeordnet ist und dass die Regelungstechnik (2) den
Elektromotor (3) über die Einrichtung zum Ermitteln der räumlichen Ausrichtung der optischen Einrichtung (6) regelt bzw. steuert.
10. Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der
Elektromotor (3) eine Halterung aufweist, und dass die Halterung des Elektromotors (3), und gegebenenfalls die Regelungselektronik (2), mit dem Trägerrahmen (1) verbunden ist .
11. Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Rotationsachse (7) in Einsatzzustand der Rotations- Stabilisierungseinrichtung im Wesentlichen waagrecht verläuft und/oder dass eine Rotationsachse in
Einsatzzustand der Rotations -Stabilisierungseinrichtung im Wesentlichen lotrecht ausgerichtet ist.
12. Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die
Rotationsachse (7) bzw. die Rotationsachsen durch den
Schwerpunkt der Rotations-Stabilisierungseinrichtung verläuft bzw. verlaufen.
13. Rotations-Stabilisierungseinrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der
Schwerpunkt der optischen Vorrichtung (6) gleich dem
Schwerpunkt der Rotations-Stabilisierungseinrichtung ist.
14. Verfahren zum Betreiben einer Rotations- Stabilisierungseinrichtung mit einer optischen Vorrichtung (6), insbesondere einer Kamera, und einer
Lageregelungsvorrichtung für die optische Vorrichtung (6) mit einem Trägerrahmen (1), mit wenigstens einer Rotationsachse (7), welche durch den Schwerpunkt der optischen Einrichtung (6) verläuft, mit wenigstens einem Rotationskörper (9, 11), wobei die optische Einrichtung (6) über wenigstens einen Rotationskörper (11) schwenkbar ist, mit wenigstens einem Elektromotor (3), der einen
Rotationskörper (9), insbesondere eine Welle, antreibt, mit einer Einrichtung zum Ermitteln der räumlichen Ausrichtung der optischen Einrichtung (6), insbesondere ein Gyroskop (8), und mit einer Regelungselektronik (2), welche den Elektromotor (3) ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der optischen Einrichtung (6) durch einen zwischen dem Elektromotor (3) und der optischen Einrichtung (6) auf dem vom Elektromotor (3) angetriebenen Rotationskörper (9) angeordneten Drehmomentwandler (10) geregelt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der optischen Einrichtung (6) derart geregelt wird, dass der Verlauf des vom Drehmomentwandler (10) übertragenen Drehmoments in einem Regelbereich im
Wesentlichen linear zu seiner Drehzahl ist und dass in diesem Regelbereich die Rotations-
Stabilisierungseinrichtung linear rotatorisch bewegt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der optischen Einrichtung (6) durch zwei auf gegenüberliegenden Seiten der optischen Einrichtung (6) angeordnete Drehmomentwandler (10) geregelt wird, von denen aus jeweils ein weiterer Rotationskörper (11) auf der
Rotationsachse (7) verläuft.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,, dass die zwei Drehmomentwandler (10) in gegengleicher oder in gleicher Richtung und/oder mit gleicher oder
unterschiedlicher Drehzahl angetrieben werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation um die Rotationsachse (7) bei
gegengleicher Rotationsbewegung der Drehmomentwandler (10) zum Stillstand kommt, wenn die Drehmomente der
Drehmomentwandler (10) gleich groß sind bzw. die Summe der gegengleichen Drehmomente null ist.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation um die Rotationsachse (7) bei
gegengleicher Rotationsbewegung der Drehmomentwandler (10) erfolgt, wenn die Summe der Drehmomente ungleich null ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, dass die Drehmomentübertragung vom
Elektromotor (3) auf den Drehmomentwandler (10) im Bereich der Gleitreibung erfolgt, insbesondere dass die Änderungen der vom Drehmomentwandler (10) auf die optische Einrichtung (6) übertragenen Drehmomente im Bereich der Gleitreibung linear verlaufen.
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